脉冲调制等离子体增强原子层刻蚀多尺度研究

For pulse modulated plasma-enhanced atomic layer etching (PEALE) processes，we will establish a self-consistent multi-scale model which includes the hybrid model of plasma discharge processes, the surface physical and chemical model and the etching profile evolution model. Then, we propose a combination of the hybrid method, kinetic Monte-Carlo method method, developing an efficient, stable and precise algorithms to simulate the whole process of the PEALE with the multi-scale method,including the plasma transport processes, surface physical and chemical processes and etching processes.Especially, we will investigate the physical properties of pulsed inductive coupling plasma afterglow, exploring when ions should be extracted, the selectively output of the particle flux, and the independent control of the flexible output of the particle energy, angle and flux. In addition, we will research the effects of the external parameters (such as gas composition, concentration and gas pressure, etc.) and the parameters of the source (RF power, frequency and amplitude, pulse frequency and duty, etc.) on the surface physical and chemical processes in etching processes, the evolution of the etching profile, the scaling laws between them, the pattern and the occurrence conditions of self-limiting etching and the control methods by adjusting parameters in PEALE. Thus, we can provide a theoretical basis of parameter optimization for improving the stability of PEALE processes.

针对等离子体增强原子层刻蚀工艺过程，建立由自洽的脉冲调制等离子体放电模型、表面过程模型与刻蚀形貌演化模型所构成的多尺度模型，提出等离子体混合模拟与动力学蒙特卡洛模拟等相结合的计算方法，研发出高效、稳定和高精度的包括等离子体输运过程、表面过程和刻蚀过程的模拟程序，多个尺度地模拟等离子体增强原子层刻蚀全过程。着重研究脉冲感性耦合等离子体余辉物理特性，探索离子选择性输运与输出控制方法，提出带边界电极的感性耦合等离子体腔室结构以及同步脉冲调制方法，实现对离子流能量、角度和通量的相对独立控制，进而获得低能量近单能离子流；通过刻蚀过程模拟评估刻蚀速率与刻蚀精度；研究外部参数（如气体组分、浓度和气体压强等）和电源参数（射频功率、频率和幅值、脉冲频率和占空比等）对刻蚀过程中的表面物理化学过程、刻蚀形貌演化的影响和定标关系，探索参数调控方法，为等离子体增强原子层刻蚀工艺稳定性的提高和参数优化提供理论依据。

在半导体集成电路制造中，等离子体刻蚀工艺具有高选择性、高各项异性、高刻蚀速率的优势。然而，随着微电子制造集成度越来越高，工业中超微细结构需要的刻蚀尺寸越来越小，等离子体刻蚀技术面临极大的挑战。微电子工业等离子体刻蚀面临的仍然是特征尺度的减小和深宽比增大所带来的刻蚀不均匀性以及低刻蚀效率的问题。传统的刻蚀方法已经无法应对这个挑战，而作为一种自限性刻蚀、具有原子层的刻蚀分辨率的原子层刻蚀有望解决所面临的问题。但是原子层刻蚀的致命的问题就是效率过低，为了提高效率，省却两道休整工序的等离子体增强原子层刻蚀有望实现高效率刻蚀，但意味着用于钝化和刻蚀的两种气体必须混在一起，大大增加了放电和刻蚀过程的复杂性，影响了工艺稳定性。为了解决该问题，需从等离子体放电到刻蚀整个过程进行深入研究。我们建立了反应性气体的电感耦合和电容耦合的适用于多种加电方式的自洽等离子体放电模型、表面过程模型与刻蚀形貌演化模型所构成的多尺度模型，研发出了较为高效、稳定和较高精度的包括等离子体输运过程、表面过程和刻蚀过程的模拟程序，多个尺度地模拟等离子体增强原子层刻蚀全过程。我们研究了脉冲感性耦合等离子体余辉物理特性，探索了能量分布和角度分布的输出控制方法，研究了外放电参数对离子流能量、角度和通量的相对独立控制规律，获得近单能离子流的参数范围；研究了外部参数（如气体组分、浓度和气体压强等）和电源参数（射频功率、频率和幅值、脉冲频率和占空比以及剪裁波形偏压等）对刻蚀过程中的表面物理化学过程、刻蚀形貌演化的影响和定标关系，探索了参数调控方法，所得结果可以为等离子体增强原子层刻蚀工艺稳定性的提高和参数优化提供理论依据。